Tema 2. Circuitos con Diodos - OCW

Tema 2. Circuitos con Diodos. rev4
TEMA 2
CIRCUITOS CON DIODOS
Profesores:
Germán Villalba Madrid
Miguel A. Zamora Izquierdo
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
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Tema 2. Circuitos con Diodos. rev4
CONTENIDO
•
•
•
•
•
Introducción
Conceptos básicos de semiconductores. Unión pn.
Diodo real. Ecuación del diodo. Recta de carga.
Diodos zener.
Modelos del diodo
– Modelo del diodo ideal.
– Modelo completo del diodo.
– Modelo del diodo zener.
• Otros tipos de diodos.
• Circuitos con diodos
–
–
–
–
Rectificadores. Filtrado.
Circuitos recortadores.
Circuitos fijadores.
Circuitos lógicos con diodos.
• Estabilizadores de tensión zener.
• Conmutación y comportamiento en alta frecuencia. Capacidades.
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INTRODUCCION
• El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor
de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia
del orden de los mΩ en una polarización y del orden de los GΩ en la
otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador.
• El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus
terminales y la corriente que circula por él. En el análisis de circuitos
con diodos, se pueden realizar algunas aproximaciones que faciliten la
resolución del sistema.
• Se estudian también algunos diodos de uso especial, como son los
zener, LED, fotodiodos y Schottky.
• Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones,
destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes.
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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
• Materiales válidos para la fabricación de dispositivos electrónicos de
estado sólido: silicio, germanio y arseniuro de galio.
• Semiconductor Intrínseco (puro)
– Cada par de átomos forma un enlace covalente con cada uno de los
cuatro átomos cercanos (disposición tetraédrica). Electrones de la capa de
valencia (grupo 4).
– A 0º K, no existen electrones libres.
– A 300º K, los electrones libres permiten flujo de una corriente si se aplica
una ddp. (Tiene mayor R que un conductor eléctrico).
– Concentración de huecos (np) igual a concentración de electrones libres
(ni) en un material puro.
– Ambos tipos de portadores contribuyen al flujo de corriente.
– Generación: a mayor temperatura, mayor velocidad de generación de
electrones libres y huecos (energía térmica).
– Recombinación: el hueco y el electrón libre se combinan formando un
enlace covalente.
– La conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la Tª.
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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS
•
Semiconductor Extrínseco (impurificado)
– Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios
(electrones); Portadores minoritarios (huecos).
n = p + ND
• n concentración de electrones.
• p concentración de huecos
• Nd concentración átomos donantes.
– Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos).
Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones).
• Na concentración átomos aceptadores
•
NA + n = p
Ley de acción de masas: en un tipo n, el valor de p se reduce (mayor
probabilidad de recombinación). Se cumple que el producto de la
concentración de huecos por la de electrones libres es constante a
una temperatura dada:
– En el material intrínseco:
pn = pi ni ⇒ pn = ni2
pi = ni
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UNION pn NO POLARIZADA
•
•
Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han
añadido impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n.
Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar
físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se
indica en la figura.
• El elevado gradiente de
concentración hueco-electrón a
lo largo de la unión, inicia un
proceso de difusión, creando
una zona de carga espacial
en la zona de unión.
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DIFUSION PORTADORES EN UNION NO POLARIZADA
La zona de carga espacial
surge por la difusión de
portadores mayoritarios
desde las zonas de mayor a
menor concentración.
El efecto principal del campo
eléctrico de la zona de carga
espacial es una barrera de
potencial que impide la
circulación de electrones.
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UNION PN EN POLARIZACION INVERSA
•
•
•
•
Un diodo está inversamente polarizado,
si la tensión aplicada aumenta la zona
de carga espacial.
• Los portadores mayoritarios son atraídos
por cada uno de los terminales del
generador.
• Si la tensión externa inversa es mayor
de unas décimas de voltio, la corriente
de los portadores mayoritarios se reduce
casi a cero.
Así, la corriente inversa estará formada por los portadores minoritarios, que
al ser muy pocos, da lugar a una corriente pequeña, e independiente del
valor de la tensión inversa aplicada.
Sin embargo, al depender la concentración de los portadores minoritarios de
la generación térmica, a medida que aumente ésta, también aumentará el
valor de la corriente inversa.
Si la tensión inversa es suficientemente alta, el campo eléctrico es capaz de
romper los enlaces covalentes, lo que produce una gran cantidad de pares
hueco-electrón, y por tanto, un gran flujo de corriente inversa.
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UNION PN EN POLARIZACION DIRECTA
•
•
La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos,
y la debida a los electrones.
A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente
predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la
zona n.
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DIODO REAL - CARACTERISTICAS
•
Característica del diodo.
– Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo).
– Polarización DIRECTA:
• Si Vd es > 0 voltios.
– Polarización INVERSA:
• Si Vd < 0 voltios.
•
•
•
En Directa la corriente fluye con facilidad.
En Inversa, al alcanzar la región de
ruptura o zona de avalancha, el flujo de
corriente es elevado siempre y cuando no se
exceda la potencia máxima de disipación.
Designación características:
–
–
–
–
Vr: tensión inversa.
If(av): corriente media directa.
If(rms): corriente eficaz directa
Vf: caída de tensión directa.
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DIODO REAL – ECUACION DEL DIODO
v D / nVT
i
=
I
(
e
− 1)
• La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es: D
S
• Donde:
– La tensión térmica es
– Is es la corriente de saturación inversa.
– n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2.
VT = k T / q
• En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señal
conducen muy poca corriente (menos de 1 mA) hasta que se aplica
una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente).
• A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa
rápidamente a pequeños aumentos de tensión.
• La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es
de aproximadamente -2 mV/ºK.
• En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 nA. Si T
aumenta, también aumenta la I.
• En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen
diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener).
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DIODO REAL – RECTA DE CARGA
•
Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff:
VSS = RiD + vD
•
Conocido el valor de Vss, R y la
curva característica del diodo, se
puede obtener el punto de trabajo
del circuito.
La recta de carga se obtiene a
partir de los puntos de corte de la
ecuación obtenida con los ejes
coordenados:
•
Fig. .- Polarización diodo.
– Si id = 0 -> Vd = Vss; (pto A)
– Si Vd = 0 -> id = Vss / R; (pto B)
•
•
Uniendo los dos puntos A y B, se
obtiene la recta de carga.
El punto de trabajo es la
intersección entre la característica
del diodo y la recta de carga.
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RESISTENCIA DINAMICA DEL DIODO
• En la zona de polarización positiva, antes de Vumbral la pendiente de
la recta que se aproxima a la característica tiende a cero
(conductancia); por tanto, su resistencia será elevada. Si se sobrepasa
la Vu, la pendiente es muy grande, y por tanto, la resistencia
reducida. Así, la pendiente de la curva se modifica según sea el punto
Q en el que se encuentre el diodo.
• Suponiendo que la tensión continua de alimentación hace que el diodo
trabaje en un punto de reposo, punto Q, y superponiendo una
pequeña señal alterna, su comportamiento se aproximará al de una
−1
resistencia según:
 di  
r d =  D  
 dvD  Q 
vD
diD
I
= S e nVT
dvD nVT
como e
vD
nVT
=
iD
+1
IS
sustituyendo y sup oniendo I S << I D
diD iD + I S
i
=
≈ D
dvD
nVT
nVT
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DIODO IDEAL
•
Es un modelo útil que permite simplificar el
análisis por medio de las siguientes
aproximaciones:
– En polarización directa, el diodo actúa como
un cortocircuito. (R = 0 ohmios).
– En polarización inversa, el diodo se comporta
como un circuito abierto. (R = infinito)
•
•
•
En la Fig. , se representa la característica i v de un diodo ideal.
Obsérvese, que en este modelo no existe
una tensión umbral en directa necesaria para
el inicio de la conducción de corriente.
En el análisis con diodos ideales, primero se supondrá cuales están en corte
y en conducción. Posteriormente, si id es positiva en los diodos en
conducción, y Vd negativa en los supuestamente en corte, la suposición
inicial será correcta.
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MODELO COMPLETO DEL DIODO
•
En este modelo, se sustituye el diodo por un diodo ideal, en serie con
una fuente de tensión de valor la tensión umbral, y la resistencia en
directa.
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OTROS TIPOS DE DIODOS
•
Diodos LED (Light Emiter Diode – Diodo Emisor de Luz)
– El diodo LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero
que al ser atravesado por una corriente emite luz proporcionalmente a la cantidad
de corriente que circula.
– Existen diodos que emiten luz de diferentes longitud de onda según el material del
que están construidos. Existen diodos led Rojos, Amarillos, Verde, Ambar e
Infrarrojos.
– La caída de tensión en directa está en el rango de 1,5 voltios a 2,2 voltios,
aproximadamente.
•
Fotodiodos
– Realiza la función inversa al LED.
– Si se polariza en inversa, y recibe energía luminosa, la cantidad de corriente inversa
será proporcional a la intensidad incidente. (Es debida a los pares hueco-electrón
generados por los fotones).
•
Diodo Schottky
– Se usan en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida.
•
Diodo Zener
– Trabajan en la zona de ruptura inversa.
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CIRCUITOS CON DIODOS
• Ejemplo análisis de un circuito simple con diodos:
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CIRCUITOS RECTIFICADORES
• Circuitos Rectificadores: convierten la corriente alterna en corriente
continua (unidireccional). También se conoce como convertidor AC-DC
• Tipos:
– Rectificadores de media onda
– Rectificadores de onda completa
• Con trafo de toma intermedia (dos diodos).
• Con puente de diodos (cuatro diodos).
• Conceptos básicos de Transformadores Ideales
– Trafo
– Trafo con toma intermedia
• Relación Vmax & Vef
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RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
•
•
•
Cuando la tensión es positiva (intervalo 0 ≤ ωt ≤ π ), el diodo se encuentra
polarizado en directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V).
Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando
pasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuesta
por la entrada.
Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene:
– En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes de
la carga.
– En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente.
Diodo ideal 0,7 V
Vmsen (ω t)
Diodo
real
(a) Diagrama del circuito
(b) Tensión de la fuente
en función del tiempo
(c) Tensión de la carga
en función del tiempo
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RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
• La tensión de entrada es senoidal según: vS = Vm sen ωt
• El valor medio de la tensión Vo(dc) se obtiene realizando la integral:
VO ( DC )
1
=
2π
π
∫
0
1
vO d (ωt ) =
2π
π
∫
0
Vm sen ωt d (ωt ) =
Vm
π
= 0,318Vm
• La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley
de Ohm.
• El valor de la tensión eficaz (rms) será:
VO ( rms )
1
=
2π
π
∫
0
Vm
V sen ωt d (ωt ) =
= 0,5Vm
2
2
m
2
• La frecuencia de salida es igual a la de entrada
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RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRAFO DE TOMA
INTERMEDIA
•
•
•
•
Consiste en dos rectificadores de media
onda con fuentes de tensión desfasadas
180º.
El trafo aísla (respecto de tierra) a la
carga de la corriente alterna de entrada.
Durante el ciclo positivo, conduce el diodo
A; durante el ciclo negativo, el diodo B
conduce rectificando la señal.
Voltaje medio o de continua:
VO ( DC ) =
•
2Vm
π
Frecuencia de salida
f out = 2 f in
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RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS
•
•
Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen.
Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen.
•
Valor medio
•
•
f out = 2 f in
Frecuencia de salida
La configuración en Puente ofrece las siguientes ventajas:
–
–
VO ( DC ) = 2Vm / π
El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el
tamaño y el precio del sistema.
La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el de
media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño.
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FILTRADO DE LA SEÑAL RECTIFICADA
•
•
•
•
•
•
La tensión de salida de un rectificador tiene una componente continua (valor
medio), y una parte fluctuante (componentes senoidales de varias frecuencias
o armónicos).
Se utilizan filtros de continua: L, C y LC. (L y LC en fuentes de alimentación; C
en circuitos integrados).
Análisis de un filtro L (superposición):
En el circuito de continua, el valor de la tensión corresponde a la tensión
media. A 0Hz la reactancia inductiva es cero.
Al aumentar la frecuencia XL se hace más grande (XL aumenta con el número
de armónico)
El filtro L produce una tensión de salida continua igual al valor medio de la
tensión rectificada.
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FILTRO CON CONDENSADOR A LA ENTRADA
•
•
•
•
•
El condensador permite el paso de bajas
frecuencias hacia la carga, e impide el paso de
las altas frecuencias. (Filtro Paso Bajo).
El diodo sólo conducirá cuando la tensión de
entrada sea superior a la tensión mantenida por
el condensador.
Mientras la constante de tiempo RloadC sea
mucho mayor que el periodo, el condensador
permanece casi totalmente cargado y la tensión
en la carga es aproximadamente Vm
Se obtiene una componente continua, y sobre
ella, una componente alterna, cuyo valor de
rizado máximo depende del filtro,
El valor del rizado será:
Q = Vr ⋅ C , Q = I ⋅ T ⇒ Vr = I / FC
y en valor eficaz, el rizado es:
Vr ( ef ) =
I
2 2CF
siendo F = fin (Hz) en m.o. y 2fin en o.c. y p.d.
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CIRCUITOS RECTIFICADORES. VOLTAJE DE PICO INVERSA
v2 = V p sen ωt
VPI = 2V p
VPI = V p
VPI = V p
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CIRCUITOS RECORTADORES
• Los circuitos recortadores son
aquellos que recortan una porción
de la señal de entrada.
• En el ejemplo, si la tensión de
entrada es superior a 6v, o inferior
a –9v, recorta a dichos valores la
señal de salida.
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CIRCUITOS FIJADORES
• Añaden una componente continua a una señal de entrada de CA.
• Se obliga a los picos a tener un valor especificado.
• En el ejemplo, el condensador desacopla la señal de entrada CA de la
alimentación DC. Si la señal de entrada intenta forzar un valor de
tensión superior a –5V, el diodo entrará en conducción.
• El condensador se carga con la tensión máxima de la fuente, y en el
siguiente ciclo el diodo no conduce y el condensador se encontrará en
serie con la fuente.
• La constante de tiempo
RC debe ser unas 10
veces mayor que el
periodo de la señal.
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CIRCUITOS LOGICOS CON DIODOS
• En el ejemplo, se muestra como crear dos puertas lógicas de 3
entradas haciendo uso de diodos.
• No todas las funciones lógicas se pueden realizar con diodos; por
ejemplo, el inversor.
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DIODOS ZENER O DIODOS DE AVALANCHA
• Trabajan en la zona de ruptura inversa. Dos tipos:
– Ruptura de avalancha (Aprox. Vz <= 5v).
– Ruptura zener (Aprox. Vz > 5v).
• Se usan para mantener constante la tensión en un punto.
• Características del diodo zener:
–
–
–
–
1.8 v < Vz < 200 v (comercialmente)
Pmax: potencia máxima del diodo zener.
Izmin: intensidad mínima que polariza el zener en inversa.
Izmax: Pmax / Vz
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MODELO DEL DIODO ZENER CON DIODOS IDEALES
•
•
En este modelo, se sustituye el
zener por dos diodos ideales en
paralelo, incluyendo en la rama
inversa una fuente de tensión con
valor la tensión zener.
Se le puede incluir en serie una Rz.
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ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER
•
•
Los reguladores de tensión se
utilizan para suministrar una
tensión constante a la carga,
∆Vc arg a
×100%
aunque fluctúe la tensión de Re gulación fuente =
∆VSS
alimentación.
La regulación de entrada:
Re gulación c arg a =
•
La regulación de carga:
Vsin c arg a − V plena c arg a
V plena c arg a
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×100%
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ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER
• Características Zener:
– Vz: tensión zener
– Izk: intensidad zener mínima para superar la “rodilla” de la
característica y mantener así la Vz
– Izt: intensidad de prueba.
– Izm: intensidad zener máxima.
• Polarización y cálculo de R (valor óhmico y potencia).
• Cálculo de la Rcmin.
• Cálculo de la Vin máxima y mínima para R dado.
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ESTABILIZACION DE TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER
•
Si en el circuito anterior, R=1k, y se utiliza un zener con las
características del gráfico. Determinar la tensión de salida para Vss =
15 v y para 20 voltios. Determinar el porcentaje de regulación de
entrada.
Re gulación de entrada =
∆VCARGA
0.5
x 100% =
x100% = 10%
∆VSS
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CONMUTACION Y COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA
• Los dispositivos electrónicos de alta velocidad precisan que el cambio
de estados de conducción y no conducción sea rápido.
• El almacenamiento de carga (capacidad) de la unión pn, afectará
negativamente a dicho requisito.
• La capacidad (no lineal) en una unión pn se puede deber a:
– Capacidad de transición: está asociada al almacenamiento de carga en
la zona de carga espacial, en polarización inversa.
– Capacidad de difusión: aparece a causa de los portadores minoritarios
almacenados en los lados opuestos de la unión con polarización directa.
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CAPACIDAD DEL DIODO - CONMUTACION
• A medida que la tensión de polarización inversa aumenta, la carga
almacenada en la zona de carga espacial también aumenta.
• La carga en la zona espacial es similar a la carga almacenada en un
condensador de placas paralelas.
– Cj: capacidad de transición.
– Cdif: capacidad de difusión.
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